Сверхпроводящий переключатель тока

1. Сверхпроводящий переключатель тока, содержащий ключевой элемент, выполненный из высокотемпературной сверхпроводящей металлокерамики, состоящей из анизотропных монокристаллов, с размещенной на нем парой токовых контактов, элекрически соединенных с источником тока, и с расположенными между ними потенциальными контактами, к которым подключена нагрузка, а также источник переключающего магнитного поля, расположенного в области между потенциальными контактами, отличающийся тем, что, с целью расширения эксплуатационных возможностей переключателя, анизотропные монокристаллы ключевого элемента по меньшей мере в области между потенциальными контактами имеют параллельную рабочему току преимущественную ориентацию кристаллографических направлений, вдоль которых удельное сопротивление нормального состояния имеет максимальное значение.
2. Переключатель по п.1, отличающийся тем, что анизотропные монокристаллы дополнительно имеют преимущественную ориентацию кристаллографических направлений, вдоль которых напряженность критического магнитного поля имеет минимальное значение, параллельную действующему магнитному полю.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к сверхпроводящим ключам постоянного тока многократного действия, и может быть использовано, например, для коммутации токов из одной цепи в другую.
Целью изобретения является расширение эксплуатационных возможностей переключателя.
Для достижения указанной цели предлагается в сверхпроводящем переключателе тока, содержащем ключевой элемент, выполненный из высокотемпературной сверхпроводящей металлокерамики, с размещенной на нем парой токовых контактов, электрически соединенных с источником тока и с расположенными между ними потенциальными контактами, к которым подключена нагрузка, а также источник переключающего магнитного поля, расположенного около ключевого элемента в области между потенциальными контактами, использовать ключевой элемент, выполненный по крайней мере в области между потенциальными контактами из текстурированной металлокерамики, причем эта область имеет преимущественную ориентацию оси, вдоль которой анизотропные кристаллиты имеют наибольшее удельное сопротивление, параллельную току, текущему в этой области.
Для достижения поставленной цели используется тот факт, что кристаллическая решетка ВТСП характеризуется сильной анизотропией напряженности критического магнитного поля Нс удельной электропроводности и критической плотности тока I_c. В плоскости (a,b) элементарной базисной ячейки монокристалла YВа₂Cu₃O_7-x или BI₂CaSr₂Cu2O₈₊₆ величины l_c и s в десятки раз выше, чем в направлении оси , перпендикулярной плоскости (а, b). В то же время критическая напряженность магнитного поля H_o2 по оси с меньше, чем в плоскости (а, b). Это выражается в том, что кристаллит гораздо легче перевести в нормальное состояние, если на него действует вектор . В изотропных, как в устройстве по прототипу, образцах оси анизотропий отдельных кристаллов распределены случайно и равномерно в телесном угле 4 , и поэтому такие образцы ВТСП являются макроскопически однородными. Приложенное к такому образцу магнитное поле Н сдвигает температуру перехода каждого кристаллита, причем величина сдвига зависит от ориентации оси анизотропии по отношению к Н. Это приводит к уширению резистивного перехода при Н 0 в прототипе. Следовательно, текстурируя КЭ заданным образом, мы улучшаем его свойства в нужном направлении.
Положительный эффект заключается в том, что воздействие магнитного поля на ВТСП керамику с высокой степенью текстурированности переводит весь объем в НС практически одновременно (узкий резистивный переход), в результате чего происходит переключение тока быстрее, чем в прототипе. Ориентация плоскостей (а, b) перпендикулярно току в области действия магнитного поля позволяет получить более высокое сопротивление R_н.с. в НС при том же объеме, переключателя, что и в прототипе, и к тому же уменьшает временную постоянную t=L/R_н.с..
На чертеже изображен переключатель тока со схемой его включения.
Переключатель содержит ключевой элемент 1, который по крайней мере в области 2 между потенциальными контактами 3 текстурирован, т.е. имеет преимущественную ориентацию анизотропных кристаллитов 4, показанную на схеме. На краях КЭ 1 расположены токовые контакты 5, к которым подключен источник тока 6. К потенциальным контактам 3 подключена нагрузка 7. Магнитное поле Н создается электромагнитом 8 в виде соленоида и действует на области 2. Таким образом, векторы в этой области 2 параллельны.
Устройство работает при температуре ниже критической для данного сверхпроводника. Рабочий ток I_paб < I с (где Iс критический ток) подается на токовые контакты 5 от источника 6. В отсутствие управляющего сигнала область 2 находится в сверхпроводящем состоянии и напряжение на потенциальных контактах 3 отсутствует. При подаче управляющего сигнала на электромагнит 8 в области 2 возникает магнитное поле с напряженностью, превышающей критическую для текстуры в направлении оси , в результате чего КЭ переходит в нормальное состояние. Появившееся сопротивление в области 2 вытесняет ток в нагрузку 7 полностью, если нагрузка сверхпроводящая, или частично, в зависимости от соотношения сопротивлений КЭ и нагрузки. Используемая текстура состава YВа₂Cu₃O_7-х при 100 К в направлении оси имеет удельное сопротивление 900 мкОм см, в отличие от прототипа, где в направлении плоскостей (а, b) 200 мкОм см. Следовательно, в предлагаемом переключателе могут быть применены нагрузки с большим сопротивлением, чем в прототипе. После снятия управляющего сигнала КЭ возвращается в сверхпроводящее состояние, напряжение на потенциальных контактах 3 исчезает, и ток нагрузки 7 обрывается.
Использование: для коммутации токов из одной цепи в другую. Сущность изобретения: в сверхпроводящем переключателе тока, содержащем ключевой элемент, выполненный из высокотемпературной сверхпроводящей металлокерамики с размещенной на нем парой токовых контактов, электрически соединенных с источником тока, и с расположенными между ними потенциальными контактами, к которым подключена нагрузка, а также источник переключающего магнитного поля, действующего на материал ключевого элемента, в области между потенциальными контактами, ключевой элемент выполнен из текстурированной металлокерамики по крайней мере в области между потенциальными контактами, причем эта область имеет преимущественную ориентацию оси, вдоль которой анизотропные кристаллиты имеют наибольшее удельное сопротивление, параллельную току, текущему в этой области. 1 ил.